探討核電廠設(shè)計基準雪荷載的選取

耿小爽 李鳳菊 王曉亮 鄭 偉

（中國核電工程有限公司，北京100840）

0 引言

日本福島核電站事故后，核電廠的外部事件風(fēng)險受到人們廣泛重視。在國際原子能機構(gòu)（IAEA）發(fā)布的《核設(shè)施廠址評價》[1]中也加強了對廠址外部事件的識別、篩選和評價的要求，要求根據(jù)外部事件對核設(shè)施安全的重要性，對其設(shè)計基準進行評價或再分析。

中國核電廠外部自然事件評價中多關(guān)注與核安全相關(guān)的設(shè)計基準風(fēng)速，對極端積雪的關(guān)注相對較少。核安全導(dǎo)則[2]指出，“在研究設(shè)計基準積雪時，應(yīng)當(dāng)考慮并入積雪的降雨的附加重量，即設(shè)計基準積雪的水當(dāng)量重量要加上低超越概率降雨的重量。例如，可把冬季48 h可能的最大降水量加入積雪中去”。雖然GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》[3]中給出了國內(nèi)各地區(qū)的雪壓推薦值，但未考慮核安全領(lǐng)域關(guān)注的冬季降水，因此并不適用于核電廠。

中國幅員遼闊，大陸岸線緯度跨度達22°，南北海岸線氣候特征不同，積雪和冬季降水情況差異較大。

本文選取兩個不同氣候區(qū)的廠址作為研究廠址，采用不同的分布函數(shù)進行設(shè)計基準雪荷載的計算和分析。

1 計算過程

1號廠址屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，2號廠址屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。選取兩廠址代表性氣象站1957—2018年的歷年最大積雪深度和冬季48 h最大降水量資料，分別采用耿貝爾分布和皮爾森III型分布（P-III分布）進行極值擬合，給出百年一遇估算值。

1.1 分布函數(shù)

耿貝爾分布的概率密度函數(shù)和分布函數(shù)分別為：

式中，a為尺度參數(shù)，b為分布密度的眾數(shù)。

P-III分布[4]的概率密度函數(shù)和分布函數(shù)分別見公式（4）、（5）：

式中，α、β和α0分別為形狀參數(shù)、尺度參數(shù)和位置參數(shù)，Γ（α）為α的Γ函數(shù)。

1.2 設(shè)計基準雪荷載

積雪對構(gòu)筑物產(chǎn)生的荷載取決于雪的厚度和堆積密度，通常用雪壓表示[3]。見公式（6）：

式中，S為雪壓kN/m2；H為積雪深度m；ρ為積雪密度t/m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

2 結(jié)果分析

由圖1和表1可見，兩廠址對不同分布函數(shù)的適宜性不同。以極端積雪為例進行分析，1號廠址耿貝爾分布的擬合效果較好，其百年一遇極端積雪深度估算值也更保守；2號廠址P-III分布的擬合效果相對較好，而耿貝爾擬合曲線出現(xiàn)偏離數(shù)據(jù)的情形，是由于本廠址無降雪年份較多（計算樣本中占40%），即序列中0 cm樣本較多。此外，兩種分布函數(shù)的百年一遇估算值均未包括歷史實測極值（42 cm），在擬合圖中表現(xiàn)為偏離擬合曲線的極值點。在實際工程中，從安全角度考慮，一般選擇偏保守的擬合結(jié)果進行后續(xù)的設(shè)計基準計算。

圖1 各廠址不同分布函數(shù)的擬合曲線（以極端積雪為例）

2號廠址有雪年份的數(shù)據(jù)樣本中有3個年份的積雪深度在10~20 cm，1個年份在40 cm以上，其余年份均小于10 cm，由此可見，本廠址區(qū)域可能會出現(xiàn)較深的積雪但概率不大。進一步結(jié)合2號廠址實際氣候特征（見圖2所示）進行分析，該地區(qū)冬季積雪情況不穩(wěn)定，有些年份整個冬季都不會出現(xiàn)降雪，但當(dāng)某一年發(fā)生寒潮天氣時，遇到較多的水汽和較低的氣溫，會降大雪，造成較深的積雪或者雪災(zāi)。因此，本文中選擇2號廠址的歷史極值進行后續(xù)的設(shè)計基準計算。

圖2 兩廠址積雪深度和冬季48 h最大降水量歷年變化趨勢

按照同樣的方法計算百年一遇冬季48 h最大降水量（見表1），與百年一遇極端積雪深度疊加后得到兩廠址百年一遇設(shè)計基準雪荷載，結(jié)果見表2。可見，疊加冬季降水后，兩廠址的設(shè)計基準雪荷載比僅考慮積雪的結(jié)果大2~3倍，說明考慮冬季降水影響的設(shè)計基準雪荷載具有足夠的保守性。

表1 各廠址不同分布函數(shù)的百年一遇估算值

表2 各廠址百年一遇設(shè)計基準雪荷載單位：kN/m2

3 結(jié)論

（1）當(dāng)積雪深度的數(shù)據(jù)樣本較少時，耿貝爾分布的擬合效果較差。因此，在確定核電廠設(shè)計基準雪荷載時，建議采用多種分布函數(shù)進行極值擬合。

（2）從安全角度出發(fā)，應(yīng)取偏保守的擬合結(jié)果進行后續(xù)的設(shè)計基準評價。當(dāng)擬合結(jié)果未包括歷史極值時，建議結(jié)合該地區(qū)的實際氣候特征開展具體分析，避免在將來可能會出現(xiàn)超設(shè)計基準事件，對核電廠的安全運行帶來影響。